第一篇：基于python三維復(fù)合材料層壓板參數(shù)化建模6-28

基于Abaqus/Python的三維復(fù)合材料層壓板有限元建模參數(shù)化開發(fā)

伊鵬躍，于哲峰，汪海

（上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240）

摘要：討論了Abaqus對(duì)象模型及網(wǎng)格對(duì)象的調(diào)用方法。利用Python腳本，開發(fā)了可應(yīng)用連續(xù)殼或?qū)嶓w單元的三維復(fù)合材料層壓板參數(shù)化建模程序。通過了人機(jī)交互，可選擇層間是否使用界面單元，材料是否預(yù)制損傷。實(shí)例表明，該程序既可完成單個(gè)層壓板及損傷的參數(shù)化三維建模，也可應(yīng)用于裝配形成的多板連接結(jié)構(gòu)的建模，適用范圍廣泛。關(guān)鍵詞：Abaqus/Python；三維；復(fù)合材料；層壓板；參數(shù)化建模 中圖分類號(hào)：TP319;TB332

Parametric three-dimensional modeling of composite laminates based on

Abaqus/Python

Yi Pengyue, Yu Zhefeng, Wang Hai(School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)Abstract: Abaqus object model and invoking method of mesh object were discussed.A parametric modeling program for three dimensional composite laminate was developed in which continuum shell or solid element is used.Human-computer interaction was realized by which laminate with interface and damage or not can be selected.Examples show that the program is able to be used not only in the modeling of one laminate and damage but also in the structures consisting of multiple plates by assembling.The application region of the program is wide.Keywords: Abaqus/Python;three dimension;composite;laminate;parametric modeling

引言

由于復(fù)合材料高比強(qiáng)度、比剛度及較強(qiáng)可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)在航空航天以及民用結(jié)構(gòu)中的用量越來越大[1]。層壓板式纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，其力學(xué)性能成為研究重點(diǎn)[2]。由于材料各向異性，層間性能差，損傷機(jī)理復(fù)雜，凡考慮層壓板厚度、厚度方向應(yīng)力分布或?qū)娱g作用時(shí)，基本都需要使用三維模型。Abaqus具有豐富的材料本構(gòu)和單元類型，并具備強(qiáng)大的二次開發(fā)能力，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的有力工具。

[3]基于Abaqus有限元分析軟件，賈建東等通過不含界面層的三維復(fù)合材料層壓板模型利用Umat編寫材料本構(gòu)，研究了層壓板的沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度；B.G.Falzon等[4]等基于三維

[5]實(shí)體模型研究了層壓板的層內(nèi)漸進(jìn)損傷并進(jìn)行了算例驗(yàn)證；顧亦磊等利用三維層壓板模型

[6]使用Usdfld程序研究了層壓板螺栓連接失效；Volnei Tita等利用三維模型對(duì)層壓板靜壓痕試驗(yàn)進(jìn)行了有限元仿真研究；張麗等[7]建立了含界面層的層壓板三維有限元模型，利用Vumat子程序進(jìn)行了復(fù)合材料層壓板低速?zèng)_擊作用下?lián)p傷分析；滕錦等[8]通過含粘性層的三維層壓板模型研究了增韌復(fù)合材料的沖擊損傷過程，朱煒垚等[9]僅在鋪層角度不同的層間應(yīng)用界面

[10-11]層簡(jiǎn)化三維模型，研究了層壓板低速?zèng)_擊下分層損傷；Craven等建立了含多處分層損傷與纖維損傷的層壓板三維有限元模型，研究了帶損傷層壓板的拉伸、屈曲及后屈曲力學(xué)性能；王躍全等[12]利用層壓板修補(bǔ)的三維有限元模型，進(jìn)行了膠接貼補(bǔ)修理漸進(jìn)損傷分析；張彥等[13]基于三維復(fù)合材料層壓板模型對(duì)雙懸臂梁試驗(yàn)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了分層的臨界能量釋放率。

通過Abaqus的前處理模塊進(jìn)行三維層壓板有限元建模是一個(gè)相當(dāng)重復(fù)繁瑣且耗時(shí)耗力的工作。如果開發(fā)參數(shù)化建模程序則可大大提高建模效率，促進(jìn)層壓板材料的性能分析和研究。本文采用Python腳本語言，基于孤立網(wǎng)格及單元節(jié)點(diǎn)信息，通過查找相應(yīng)單元進(jìn)行網(wǎng)格偏置，建立三維有限元網(wǎng)格，并賦予單元類型、材料屬性與鋪層角度等。開發(fā)完成了可包含界面層及可預(yù)制損傷的復(fù)合材料層壓板三維參數(shù)化建模程序，應(yīng)用了人機(jī)交互界面，對(duì)Abaqus對(duì)象模型、主要模塊程序流程及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹，并通過層壓板三維建模例子演示程序的功能。層壓板建模與python腳本

三維復(fù)合材料層壓板的建模繁瑣，以基于網(wǎng)格偏置的建模方法為例，首先建立單層的幾何模型，劃分網(wǎng)格后將部件轉(zhuǎn)化為孤立網(wǎng)格部件，進(jìn)入mesh模塊，通過Mesh edit功能對(duì)單層網(wǎng)格進(jìn)行偏置，生成界面層或第二層復(fù)合材料單層。若為界面層，厚度值賦零，根據(jù)建模要求逐層偏置生成復(fù)合材料層壓板三維模型，由于網(wǎng)格部件不具備幾何信息，需為每一界面層與復(fù)合材料單層建立集合，利用集合為相應(yīng)單元賦單元類型，材料屬性，鋪層角度等。如果鋪層層數(shù)較多，通過用戶界面進(jìn)行操作，是一個(gè)重復(fù)工作量大且耗時(shí)耗力的過程。

Python腳本接口是Abaqus的二次開發(fā)接口之一，它擴(kuò)充了Python的對(duì)象模型和數(shù)據(jù)類型。一般情況下，腳本接口主要用于前處理、后處理、自定義模塊等。若前處理通過用戶界面建模，需要大量的手動(dòng)操作,而Python腳本使用區(qū)區(qū)幾十行代碼則可實(shí)現(xiàn)上百次操作的效果，若以此開發(fā)復(fù)合材料層壓板參數(shù)化建模程序，可大大減少工作量，提高效率。

Abaqus/python主要有Session對(duì)象、Mdb對(duì)象和Odb對(duì)象，本文主要對(duì)Mdb模型對(duì)象進(jìn)行搜索調(diào)用。Mdb對(duì)象保存于模型數(shù)據(jù)庫中，調(diào)用前需使用Import語句導(dǎo)入，圖1為Mdb對(duì)象結(jié)構(gòu)。通過對(duì)part對(duì)象的查詢，給出了程序需用到的相關(guān)子對(duì)象，其中elements下的label、connectivity分別為單元編號(hào)、對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，nodes下的coordinates、label分別為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

圖1 Mdb對(duì)象結(jié)構(gòu) Fig.1 Mdb object model tree 2 含損傷的三維層壓板參數(shù)化建模

本程序包括層壓板的參數(shù)化建模部分和損傷建模部分，流程分別如圖2(a)和圖2(b)所示。對(duì)于層壓板的參數(shù)化建模，首先根據(jù)面內(nèi)對(duì)網(wǎng)格的要求，例如是否需要局部加密等，可通過程序選擇提前劃分網(wǎng)格的平面部件，或者通過程序基于草圖模塊建立網(wǎng)格均勻的平面部件。網(wǎng)格偏置建模，需將平面部件轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格部件，然后根據(jù)層間是否引入界面層建立模型，包括不含界面層的層壓板模型、各層間都有界面層的模型以及指定層間加入界面層的模型。由于模型中只含網(wǎng)格信息，為方便相應(yīng)對(duì)象的選擇，需要通過搜索單元編號(hào)為各層包括界面層建立單元集合。建立材料后，基于單元集合對(duì)相應(yīng)的區(qū)域賦單元類型，對(duì)于鋪層單元，可選擇使用連續(xù)殼單元或?qū)嶓w單元，界面層單元使用Cohesive單元，對(duì)于不同的分析步類型，可分別選擇Standard和Explicit單元，然后建立對(duì)應(yīng)的截面屬性并賦予相應(yīng)的單元區(qū)域，最后根據(jù)提示對(duì)鋪層角度進(jìn)行賦值，至此三維層壓板的建模完成。

對(duì)于損傷預(yù)制部分，建立損傷材料及截面屬性后，會(huì)提示預(yù)制損傷的位置，可選擇某一鋪層或者界面層，然后需選擇損傷區(qū)域形狀，通過對(duì)該層所有單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行遍歷，并判斷單元是否在損傷區(qū)域內(nèi)，如此將該層所有單元?jiǎng)澐譃閾p傷單元集合與未損傷單元集合，為新建的損傷單元集合賦相應(yīng)的截面屬性。程序包含了兩種基本的損傷形狀，矩形與圓形，可通過循環(huán)對(duì)同一層單元集合多次預(yù)制損傷，取損傷形狀的并集得到諸如橢圓形或花生殼狀的復(fù)雜損傷形狀。通過程序的循環(huán)，可建立多層、多處損傷。

至此，程序運(yùn)行完成，用戶只需要修改材料選項(xiàng)與參數(shù)，添加邊界條件與載荷，即可提交計(jì)算。

(a)層壓板參數(shù)化建模(b)損傷預(yù)制

圖2 程序流程圖 Fig.2 Program flow chart 3 程序介紹

在腳本語言中首先利用from…import…語句導(dǎo)入相應(yīng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)函數(shù)或?qū)ο蟮恼{(diào)用。程序運(yùn)行時(shí)，為滿足用戶要求，需要通過交互界面進(jìn)行選擇或者輸入，通過getInput()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 交互界面 Fig.3 Interactive interface 描述層壓板面內(nèi)形狀的平面部件類型屬于3D的Shell部件，如圖4所示，劃分網(wǎng)格后，轉(zhuǎn)化生成網(wǎng)格部件，然后輸入鋪層單層厚度，float()函數(shù)用于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，通過len()函數(shù)對(duì)網(wǎng)格部件單元數(shù)進(jìn)行查詢，選擇所有shell單元的上表面，通過generateMeshByOffset()命令生成實(shí)體單元即鋪層首層，并激活deleteBaseElements選項(xiàng)刪除殼單元，最后對(duì)單元重新編號(hào)。

##平面部件生成網(wǎng)格部件并偏置生成鋪層首層 p = mdb.models['Model-1'].parts[planarpartname] p.PartFromMesh(name='Composite_laminates')input2=getInput('Please enter the PLY thickness(mm)','')#輸入單層厚度 plyThickness=float(input2)p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] e=p.elements plyelementNumber=len(e)#查詢網(wǎng)格部件單元數(shù)

side2Elements = e[0:plyelementNumber]#選擇要被偏置的shell單元 #網(wǎng)格的偏置操作

p.generateMeshByOffset(region=regionToolset.Region（side2Elements=side2Elements), meshType=SOLID, totalThickness=plyThickness，numLayers=1, offsetDirection=INWARD, shareNodes=True，deleteBaseElements=True)p.renumberElement(startLabel=1, increment=1)# 單元重新編號(hào)

生成首層單元后需要繼續(xù)偏置建立界面層和各鋪層單元，以指定層間加入界面層的模型為例。首先通過循環(huán)結(jié)構(gòu)輸入需要引入界面層的層間編號(hào)，并記錄到數(shù)組中。首先判斷建立下一層鋪層時(shí)是否需要建立界面層，若是，先偏置生成界面層單元并建立集合；若否，則直接生成下一層鋪層單元并建立集合；如此循環(huán)直到偏置完成。由于各單層單元總數(shù)相同，單元的編號(hào)按照生成的先后順序從小到大排序，所以偏置操作的基礎(chǔ)單元可通過計(jì)算上次生成的單元編號(hào)，根據(jù)對(duì)象結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，單元集合的建立同樣通過計(jì)算相應(yīng)單元的編號(hào)進(jìn)行選擇。

##指定層間加入界面層的三維層壓板網(wǎng)格偏執(zhí)建模

intface_insert=1

intface_location=[] #循環(huán)輸入需引入界面層的層間編號(hào)

while intface_insert:

input7=getInput('Enter interface location(e.g Interface3:3)','')

intf_loc=int(input7)

intface_location.append(intf_loc)

input8=getInput('More interface or not(Yes:1,No:0)','')

intface_insert=int(input8)

intface_locationLength=len(intface_location)

intface_locationIndex=0

for x in range(1,plyNumber,1):#循環(huán)逐層建模

if x==intface_location[intface_locationIndex] and intface_locationIndex

#網(wǎng)格偏置生成界面層

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

f = p.elements

#計(jì)算單元編號(hào)選擇偏置操作的基礎(chǔ)單元

face2Elements = f[plyelementNumber*(intface_locationIndex+x-1):(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber]

#網(wǎng)格偏置生成下一層

p.generateMeshByOffset(…)

#界面層單元集合創(chuàng)建

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

e = p.elements

#計(jì)算單元編號(hào)選擇相應(yīng)單元

elements = e[(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x+1)*plyelementNumber]

p.Set(elements=elements, name='Interface%d'%(x))#為相應(yīng)單元建立集合 intface_locationIndex=intface_locationIndex+1

#網(wǎng)格偏置生成鋪層

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

f = p.elements

face2Elements = f[(intface_locationIndex+x-1)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber]

p.generateMeshByOffset(…)

#鋪層單元集合建立

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

e = p.elements

elements = e[(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x+1)*plyelementNumber]

p.Set(elements=elements, name='PLY%d'%(x+1))

網(wǎng)格偏置建模完成后，選擇單元類型，建立材料及相應(yīng)截面屬性，通過循環(huán)基于單元集合為對(duì)應(yīng)區(qū)域賦屬性，如圖5所示。同理對(duì)鋪層角度賦值，選擇之前建立的鋪層單元集合，利用orientation功能逐層定義材料角度。

##鋪層角度賦值

for x in range(1,plyNumber+1,1):#對(duì)各鋪層循環(huán)

input3=getInput('Please enter the angle of the PLY%d'%x,'')#輸入當(dāng)前鋪層的角度

plyAngle=int(input3)

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

region = p.sets['PLY%d'%(x)]#選擇相應(yīng)鋪層單元集合

orientation = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'].datums[coordinate_id]#選擇參考坐標(biāo)系 #為相應(yīng)鋪層賦角度

mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'].MaterialOrientation(region=region，orientationType=SYSTEM, axis=AXIS_3, localCsys=orientation, fieldName=''，additionalRotationType=ROTATION_ANGLE, additionalRotationField=''，angle=plyAngle, stackDirection=STACK_3)

對(duì)于損傷區(qū)域的建立，首先遍歷各未損傷單元集合，然后根據(jù)對(duì)象模型樹中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)集合中的單元信息進(jìn)行查詢判斷。以圓形損傷區(qū)域?yàn)槔?，?duì)集合中的每一單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，若該單元所有節(jié)點(diǎn)處于區(qū)域內(nèi)，將其編號(hào)添加到損傷單元對(duì)應(yīng)的數(shù)組中，如果某一節(jié)點(diǎn)不在該區(qū)域內(nèi)，則將其編號(hào)添加到另一數(shù)組中，如此劃分開來，遍歷結(jié)束后根據(jù)兩組數(shù)組中的單元編號(hào)分別建立損傷單元集合與未損傷的單元集合。程序運(yùn)行結(jié)束后建立的各鋪層和界面層及損傷區(qū)域的單元集合，如圖6所示，根據(jù)損傷區(qū)域的單元類型建立對(duì)應(yīng)的損傷截面屬性，對(duì)損傷的鋪層材料重新賦角度。

##損傷單元集合的建立

for element in eSET:#對(duì)該集合中單元進(jìn)行遍歷

state=0

nE=len(element.connectivity)

#對(duì)單元對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷并通過節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)判斷單元是否位于損傷區(qū)域內(nèi)

for n in range(0,nE):#節(jié)點(diǎn)編號(hào)遍歷

x=allnodes[element.connectivity[n]].coordinates[0]#當(dāng)前節(jié)點(diǎn)x軸坐標(biāo)查詢

y=allnodes[element.connectivity[n]].coordinates[1] #當(dāng)前節(jié)點(diǎn)y軸坐標(biāo)查詢

arcdistance=sqrt((x-coord_xc)**2+(y-coord_yc)**2)

if arcdistance>r+tolerance:#當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否在圓形損傷區(qū)域內(nèi)

state=1

j.append(element.label)#將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單元的編號(hào)添加到未損傷集合中

break

if state==0:

i.append(element.label)#將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單元的編號(hào)添加到損傷集合中

圖4平面部件

圖5 截面屬性與鋪層角度 圖6 單元集合 Fig.4 Planar part

Fig.5 Section and ply angle

Fig.6 Element sets 應(yīng)用實(shí)例

在圓形復(fù)合材料層壓板沖擊模型中，需要對(duì)沖擊點(diǎn)處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，基于預(yù)先劃分網(wǎng)格的平面部件，運(yùn)行程序得到的層壓板模型如圖7所示。在研究材料損傷對(duì)受壓層壓板應(yīng)變場(chǎng)的影響時(shí)，需建立花生殼狀的分層區(qū)域，運(yùn)行程序，完成層壓板建模后，選擇預(yù)制損傷，損傷區(qū)域通過取圓心不同的兩個(gè)圓形區(qū)域的并集得到，如圖8所示。

圖7 三維復(fù)合材料層壓板模型 圖8 花生殼狀分層

Fig.7 Three dimensional composite laminates model

Fig.8 Peanut shape delamination

在復(fù)合材料材料層壓板螺栓連接孔邊擠壓破壞的研究中，基于預(yù)先劃分網(wǎng)格的平面部件，運(yùn)行程序得到層壓板模型，并將其與金屬釘模型進(jìn)行裝配得到釘連接模型，如圖9(a)所示。在復(fù)合材料層壓板的雙搭接修補(bǔ)模型拉伸強(qiáng)度分析中，運(yùn)行程序得到母片與補(bǔ)片的層壓板模 形，并在母片的修補(bǔ)區(qū)域通過偏置生成膠層模型，然后進(jìn)行雙搭接的裝配并利用Merge命令合并重節(jié)點(diǎn)從而將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為整體，模型如圖9(b)所示。

(a)

圖9 復(fù)合材料層壓板螺栓連接與雙搭接

Fig.9 Bolted Joint and double lap joint of composite laminates

(b)結(jié)論

(1)構(gòu)建程序流程，嵌入內(nèi)部循環(huán)，加入交互界面，既保證了程序結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)明易實(shí)現(xiàn)，又滿足了參數(shù)輸入和循環(huán)操作的要求。

(2)分析了對(duì)象模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用到單元與節(jié)點(diǎn)的搜索篩選，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)格信息的參數(shù)化建模過程，為基于網(wǎng)格信息的參數(shù)化操作提供了參考。(3)根據(jù)有限元分析要求，程序可建立多種形式的三維層壓板模型,并可實(shí)現(xiàn)損傷建模，也可應(yīng)用于基于層壓板的多板結(jié)構(gòu)的建模，適用范圍廣，建模效率高。參考文獻(xiàn)：

(a)

[1]張小娟,張博平,張金奎 等.基于凹坑深度的復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷分析[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2010,25(3):234-238.[2]矯桂瓊，賈普榮.復(fù)合材料力學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.3.[3]賈建東，丁運(yùn)亮，劉曉明.復(fù)合材料層合板沖擊后剩余強(qiáng)度的工程估算方法和有限元模擬分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(3),335-339.[4]Falzon B G, Apruzzese P.Numerical analysis of intralaminar failure mechanisms in composite structure[J].Composite Structures,2011,93(2):1039-1053.[5]顧亦磊，趙美英.復(fù)合材料層合板螺栓連接失效分析[J]航空計(jì)算技術(shù)，2006,36,(2):110-113.[6]Tita V, Carvalho J, Vandepitte D.Failure analysis of low velocity impact on thin composites laminates [J].Composites Structure,2008,83:413-428.[7]張麗,李亞智,張金奎.復(fù)合材料層合板在低速?zèng)_擊作用下的損傷分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,5(10):1170-1174.[8]滕錦，李斌太，莊茁.z-pin增韌復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊損傷過程研究[J].工程力學(xué)，2006,23(1)：209-216.[9]朱煒垚,許希武.復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊損傷的有限元模擬[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2010,6(27):200-207.[10]Craven R, Sztefek P, Olsson R.Investigation of impact damage in multi-directional tape laminates and its effect on local tensile stiffness[J].Composites Science and Technology,2008,68:2518–2525.[11]Craven R, Iannucci L, Olsson R.Delamination buckling: A ?nite element study with realistic delamination shapes, multiple delaminations and ?bre fracture cracks[J].Composites: Part A,2010,41:684-692.[12]王躍全,童明波,朱書華.復(fù)合材料層合板膠接貼補(bǔ)修理漸進(jìn)損傷分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2011,28(3):197-202.[13]張彥.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷預(yù)測(cè)研究[D].上海: 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.作者簡(jiǎn)介：伊鵬躍(1988-),男，山東泰安人，碩士。研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。E-mail：yipengyue@sjtu.edu.cn

第二篇：輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模及力學(xué)性能研究分析論文

引言

隨著3D打印技術(shù)和材料制備技術(shù)的高速發(fā)展，輕質(zhì)多孔點(diǎn)陣材料作為近年來興起的力學(xué)性能極為優(yōu)異的新一代輕質(zhì)高強(qiáng)多功能材料，廣泛應(yīng)用于組織工程學(xué)、航空航天、船舶制造等領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)材料，輕質(zhì)多孔點(diǎn)陣材料最大不同在于其具有千變?nèi)f化的微結(jié)構(gòu)和高孔隙率(大于7000)，因面具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高效散熱、能吸收電磁波，以及多功能可設(shè)計(jì)性等特有的優(yōu)良性能。近年來，相關(guān)輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究受到了國內(nèi)外專家的高度重視。Dede等介紹了一種設(shè)計(jì)單層或多層的周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)，并對(duì)單層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能的計(jì)算分析。張錢城等根據(jù)各類輕質(zhì)點(diǎn)陣材料的胞元結(jié)構(gòu)分析其力學(xué)性能，并分析了強(qiáng)化輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要方法。陳立明等通過對(duì)輕質(zhì)點(diǎn)陣夾層的力學(xué)性能研究，利用輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的均質(zhì)化等效理論模型，建立了輕質(zhì)點(diǎn)陣圓柱殼的強(qiáng)度模型以及剛度模型，最后與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。Tekoglu等通過對(duì)多孔點(diǎn)陣材料在壓縮、彎曲和剪切條件下的理論和仿真分析，研究了其單元尺寸變化對(duì)力學(xué)性能的影響關(guān)系。Fan等對(duì)輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提出了理論模型方法并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。以上研究多為對(duì)胞元形式構(gòu)成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)性能的研究，面沒有涉及對(duì)胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模以及多種胞元結(jié)構(gòu)構(gòu)建試件的對(duì)比研究。

本文設(shè)計(jì)了基于長(zhǎng)方體空間微結(jié)構(gòu)衍生的胞元結(jié)構(gòu)，并建立其數(shù)學(xué)模型以構(gòu)建試件的參數(shù)化模型及分析系統(tǒng)。針對(duì)分別由邊結(jié)構(gòu)、頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)、面心結(jié)構(gòu)、互連頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)十字心結(jié)構(gòu)構(gòu)建的長(zhǎng)方體試件，通過改變胞元尺寸及數(shù)量或胞元支柱截面半徑，保證試件結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量不變，分析比較在拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)情況下試件的力學(xué)性能，并通過動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析進(jìn)行驗(yàn)證，提出了在各種載荷下點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)方法。

1輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

1.1胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕質(zhì)多孔點(diǎn)陣材料通過模擬分子點(diǎn)陣構(gòu)型，并由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間連接桿件單元組成一種具有周期性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同的胞元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的點(diǎn)陣材料會(huì)產(chǎn)生千差萬別的力學(xué)性能。常見的三維點(diǎn)陣構(gòu)型有編織疊層夾芯結(jié)構(gòu)、三維全三角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、八面體結(jié)構(gòu)、四面體和四棱錐點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)以及三維Kagome結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的胞元結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)方體空間微結(jié)構(gòu)衍變面來，根據(jù)六面體結(jié)構(gòu)的特性，選取頂點(diǎn)、體心、面心以及棱邊中點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)作為構(gòu)建基本胞元結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，設(shè)計(jì)了5種典型胞元結(jié)構(gòu)。由12條圓柱棱邊構(gòu)成長(zhǎng)方體，具備一般結(jié)構(gòu)的特性;由長(zhǎng)方體中心與8個(gè)頂點(diǎn)支柱相連構(gòu)成，能夠很好地將載荷傳遞到體心節(jié)點(diǎn);面心結(jié)構(gòu)，由長(zhǎng)方體表面中心與相鄰表面中心支柱相連構(gòu)成，具備良好的載荷傳遞能力;為互連頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)，由長(zhǎng)方體中心與8個(gè)頂點(diǎn)通過支柱相連且同側(cè)頂點(diǎn)依次相連構(gòu)成，其對(duì)頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的端點(diǎn)進(jìn)行了加強(qiáng);為內(nèi)十字面心結(jié)構(gòu)，由長(zhǎng)方體上下表面中心到側(cè)面中心相連且相對(duì)表面中心互連構(gòu)成，內(nèi)十字結(jié)構(gòu)具備良好的應(yīng)對(duì)三向拉壓能力。

1.2輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模系統(tǒng)

基于長(zhǎng)方體空間的輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模流程主要概括為胞元結(jié)構(gòu)的選擇、胞元尺寸的參數(shù)設(shè)置、空間密度的計(jì)算插值、試件參數(shù)的設(shè)置、有限元分析以及實(shí)例學(xué)習(xí)。主要包括以下7個(gè)步驟:

(1)根據(jù)六面體結(jié)構(gòu)的特性，計(jì)算頂點(diǎn)、體心、面心及棱邊中點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)作為構(gòu)建基本胞元結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)并存儲(chǔ);

(2)選擇不同關(guān)鍵點(diǎn)并設(shè)定連線規(guī)則，得到不同的胞元結(jié)構(gòu)并與胞元結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配;(3)全部胞元結(jié)構(gòu)與實(shí)例庫進(jìn)行匹配，當(dāng)全部相同時(shí)，表明己存在相關(guān)數(shù)據(jù)，可直接輸出實(shí)例數(shù)據(jù);

(4)比較不同胞元支柱總長(zhǎng)，設(shè)定最短的為基本胞元結(jié)構(gòu)，并設(shè)置其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù);

(5)進(jìn)行改變胞元尺寸或支柱截面半徑兩種方式下的空間密度二分法插值計(jì)算，并與基本胞元結(jié)構(gòu)空間密度值比較;

(6)設(shè)置基本胞元結(jié)構(gòu)試件參數(shù)，得到各胞元結(jié)構(gòu)試件參數(shù)數(shù)據(jù)及模型;

(7)進(jìn)行有限元分析，將設(shè)計(jì)實(shí)例及相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，為以后新胞元結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)比研究時(shí)進(jìn)行相同匹配。

2點(diǎn)陣材料的力學(xué)性能研究

2.1彎曲載荷有限元分析.為通過改變胞元尺寸及數(shù)量構(gòu)建的5種試件，分別施加彎曲載荷進(jìn)行有限元分析求解試件的總變形云圖。邊結(jié)構(gòu)受載胞元層發(fā)生整體變形較大，說明此種結(jié)構(gòu)胞元抵抗彎曲能力差;頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)受載胞元層與第二層變形量相差較大，且靠近固定端變形量很小，說明此種胞元結(jié)構(gòu)承受彎曲載荷能力很差，傳遞載荷能力較差。

5種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試件受到彎曲載荷時(shí)總變形、軸應(yīng)力、最小組合應(yīng)力以及最大組合應(yīng)力相對(duì)于邊結(jié)構(gòu)的比值。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試件受到彎曲載荷時(shí):面心結(jié)構(gòu)及內(nèi)十字面心結(jié)構(gòu)抗彎曲能力最強(qiáng)，互連頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)稍差于這兩種結(jié)構(gòu)，但面心結(jié)構(gòu)在改變胞元截面半徑情況下組合應(yīng)力值較小，結(jié)合圖6c可知試件高方向上胞元數(shù)量補(bǔ)半值產(chǎn)生了一定的影響;邊結(jié)構(gòu)抗彎曲能力一般;頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的抗彎曲能力最差。在兩種情況下，試件抗彎曲力學(xué)性能總體表現(xiàn)相似;由最小最大組合應(yīng)力對(duì)比情況可知，彎曲載荷條件下，胞元支柱的軸向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力數(shù)值接近。

2.2扭轉(zhuǎn)載荷有限元分析。

為通過改變胞元支柱截面半徑構(gòu)建荷時(shí)總變形、軸應(yīng)力、最小組合應(yīng)力及最大組合應(yīng)力相對(duì)于邊結(jié)構(gòu)的比值。

5種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試件受到扭轉(zhuǎn)載荷時(shí):邊結(jié)構(gòu)總變形明顯大于其他4種結(jié)構(gòu)，但其彎曲應(yīng)力較小;頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有較好的抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，但承受一定的彎曲應(yīng)力;面心結(jié)構(gòu)具有最強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)變形能力，但其具有較大的組合應(yīng)力，說明其彎曲應(yīng)力很大;互連頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)在改變胞元支柱截面半徑情況下抗扭能力最強(qiáng)，其最小最大組合應(yīng)力在改變胞元尺寸及數(shù)量情況下明顯變差;內(nèi)十字面心結(jié)構(gòu)表現(xiàn)一般，其在改變胞元尺寸及數(shù)量情況下最小最大組合應(yīng)力比在改變胞元支柱截面半徑情況下好。同樣，在兩種情況下邊結(jié)構(gòu)、頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)和面心結(jié)構(gòu)試件抗彎曲力學(xué)性能總體表現(xiàn)相似;由最小最大組合應(yīng)力對(duì)比情況可知，扭轉(zhuǎn)載荷條件下，胞元支柱的軸向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力數(shù)值接近。

2.3試件動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析

分別對(duì)5種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行模態(tài)分析，求解其前6階固有頻率與對(duì)應(yīng)的振型，分析結(jié)果得到1階彎曲、1階扭轉(zhuǎn)的模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)總變形，并驗(yàn)證試件的抗彎、抗扭剛度。

當(dāng)激勵(lì)頻率在1階固有頻率處駐留時(shí)，試件發(fā)生了1階豎直彎曲變形。邊結(jié)構(gòu)與頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，在頻率相近時(shí)頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的總變形明顯偏大，說明頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形的剛度比邊結(jié)構(gòu)小;其他3種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)頻率為邊結(jié)構(gòu)3倍左右，總變形稍大于邊結(jié)構(gòu)，說明這3種試件具有明顯的抵抗彎曲變形的剛度優(yōu)點(diǎn)。在3階固有頻率處駐留時(shí)，試件發(fā)生了1階扭轉(zhuǎn)變形。其他4種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)共振頻率明顯大于邊結(jié)構(gòu)，說明這4種結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭能力，互連頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的抗扭剛度。

3結(jié)論

(1)在分別改變胞元尺寸及大小或胞元支柱截面半徑兩種情形下，試件的力學(xué)性能總體基本相似。

(2)邊結(jié)構(gòu)具有一定的抗拉/抗壓能力，但其在抗彎和抗扭方面表現(xiàn)一般。

(3)頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能表現(xiàn)最差，其抗扭能力稍強(qiáng)于抗拉/抗壓和抗彎能力。

(4)面心結(jié)構(gòu)的抗拉/抗壓以及抗彎曲能力表現(xiàn)出色，但其抗扭能力表現(xiàn)較差，且需注意改變胞元尺寸及數(shù)量時(shí)試件高方向的補(bǔ)半會(huì)對(duì)力學(xué)性能有一定影響。

(5)互連頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能最優(yōu)，抗拉/抗壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)能力表現(xiàn)較為均衡，但其在改變胞元支柱截面半徑情形下抗拉/抗壓的組合應(yīng)力稍大，且承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)在變支柱截面半徑情況下表現(xiàn)較好。

(6)內(nèi)十字面心結(jié)構(gòu)總體力學(xué)性能較為優(yōu)秀，但其抗扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能表現(xiàn)一般，在改變胞元尺寸及數(shù)量情況下力學(xué)性能稍好于在改變胞元支柱截面半徑情形下。

第三篇：噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流場(chǎng)模擬(ljdh)

噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流場(chǎng)模擬

穆傳冰 王慶豐 章平李順弟

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 焦化設(shè)計(jì)室 北京 100043）

摘 要：介紹了利用三維參數(shù)化機(jī)械設(shè)計(jì)軟件對(duì)噴淋式飽和器進(jìn)行了參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比做到了精確表達(dá)尺寸和,直觀的反映其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用關(guān)鍵參數(shù)控制模型尺寸，可以依據(jù)化工工藝專業(yè)的需要進(jìn)行快速精準(zhǔn)設(shè)計(jì),并基于該三維模型的設(shè)計(jì)成果利用流體分析軟件對(duì)噴淋式飽和器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：噴淋式飽和器；三維參數(shù)化；設(shè)計(jì)；有限元；數(shù)值模擬

Three-dimensional Parametric Design and internal flow field numerical stimulation of Spray Saturator

Mu-Chuanbing Wang-Qingfeng Zhang-Ping Li-Shundi(Coking design division, Beijing Shougang International Engineering Technology Co., Ltd.Beijing 100043, China)

Abstract: Introduced parametric modeling of Spray Saturator by three-dimensional design software, precision and intuitionist expressed dimension, and structure-characteristic compare with traditional two-dimensional drawing, dispensed with complex calculation by controlling model dimension used key-parameter, precision and rapid design according to the requirement of technique and engineering, carrying on numerical stimulation by using hydrodynamic analysis software according to this three-dimensional parametric model.Key words: Spray Saturator;Three-dimensional Parametric;Design;FEM;Numerical stimulation 概述

噴淋式飽和器是焦?fàn)t煤氣凈化過程中半直接法生產(chǎn)硫酸銨的主要設(shè)備，自上世紀(jì)90年代由法國引進(jìn)后，得到了廣泛的應(yīng)用，其材質(zhì)一般選用316L超低碳不銹鋼焊接制造，對(duì)于母液循環(huán)噴灑部分一般采用904L超級(jí)不銹鋼制作,具有設(shè)備使用時(shí)間長(zhǎng)，煤氣系統(tǒng)阻力小，結(jié)晶顆粒大，硫酸銨質(zhì)量好，工藝流程短，易操作等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。但是由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)二維圖紙對(duì)其結(jié)構(gòu)的表達(dá)不夠清晰和直觀。在設(shè)備制造過程中，其復(fù)雜零件尺寸控制的問題也一直困擾著設(shè)備制造單位。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維參數(shù)化機(jī)械設(shè)計(jì)軟件逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，利用簡(jiǎn)單的幾何約束關(guān)系和關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)動(dòng)就能完成設(shè)備的三維設(shè)計(jì)，并快速給出工程圖，省去了傳統(tǒng)二維制圖復(fù)雜的投影關(guān)系的轉(zhuǎn)換和尺寸計(jì)算，特別適用于噴淋式飽和器這種形狀特殊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文以某煤氣凈化回收工程設(shè)計(jì)的噴淋式飽和器為例進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和與探討。噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)

噴淋式飽和器一般分為上段和下段，上段為吸收室，下段為結(jié)晶室。兩室間采用錐形封頭隔開，吸收室又分為前室、環(huán)形區(qū)域和后室三部分，結(jié)晶室由外筒體和降液管組成，通過降液管與吸收室相連。在吸收室內(nèi)置除酸器，除酸器為旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外套筒兩部分組成，外套筒開切線方向的方孔與吸收室的后室相連通[1]。噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

(a）主視圖

(b）左視圖

(c）俯視圖

圖1 噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，使用二維工程圖設(shè)計(jì)的噴淋式飽和器并不能清晰的表達(dá)其結(jié)構(gòu)，二維工程圖一般采用局部剖切視圖等方法來分視圖表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是往往效果不明顯，過多的剖切視圖會(huì)增加制造者按圖施工的難度，特別是結(jié)晶室的后室與除酸器的外筒的連接部分更加難以清晰表達(dá)，對(duì)于設(shè)計(jì)單位和制造廠家而言都造成了困難，而且不能直觀的表達(dá)出設(shè)備各部分準(zhǔn)確位置關(guān)系。噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行噴淋式飽和器的設(shè)計(jì)，首先需要找出該設(shè)備的主要幾何參數(shù)和設(shè)備各部分的幾何約束關(guān)系，由于設(shè)備的復(fù)雜性導(dǎo)致參數(shù)過多，表1中只列出設(shè)備外形尺寸的關(guān)鍵參數(shù)：

表1 噴淋式飽和器外形尺寸關(guān)鍵參數(shù)

名稱 煤氣出口 結(jié)晶室 除酸器外筒體 除酸器內(nèi)筒體 降液管 錐體

外徑D 1220 4616 3116 1220 666 4616/666

壁厚t 8 8 8 8 8 8

長(zhǎng)度L 250 2785 5335 3875 3875 1145

利用上述關(guān)鍵參數(shù)再結(jié)合各零部件之間幾何約束關(guān)系和定位尺寸，使用拉伸和旋轉(zhuǎn)等常規(guī)建模方式將設(shè)備的這幾部分模型率先建立，飽和器結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的吸收室的后室與除酸器的外筒的連接部分是不規(guī)則曲面體，這部分的建模采用常規(guī)建模和三維曲面切割實(shí)體的方法得到，保證了后室的曲面與除酸器外筒體的相切，真實(shí)表達(dá)了該部分的結(jié)構(gòu)。設(shè)備上的接管等零部件可以通過各自的幾何參數(shù)和定位尺寸較為簡(jiǎn)單的生成，在建模過程中還要充分考慮各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，把握好參數(shù)間的關(guān)聯(lián)才能真正做到參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3.2 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的結(jié)果

經(jīng)過上述步驟，可以得到如圖2所示的三維參數(shù)化模型：

圖2 噴淋式飽和器三維參數(shù)化模型

3.3 有關(guān)結(jié)果的討論

從圖2可以看出，利用三維設(shè)計(jì)軟件的裝配透視功能，設(shè)備內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以得到清晰的表達(dá)，該模型可以通過參數(shù)的修改快速得到不同尺寸的模型結(jié)果，以滿足化工工藝專業(yè)根據(jù)不同規(guī)模工程的設(shè)計(jì)選型的需求。和傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)精度更容易得到保證，基于該模型的工程圖的尺寸和標(biāo)注也可跟隨參數(shù)的變化做相應(yīng)的調(diào)整，省去了繁瑣的尺寸修改和標(biāo)注的過程，因此設(shè)計(jì)效率也得到了很大的提高。在設(shè)備制造過程中，可以將三維參數(shù)化模型中的各零部件分別輸出快速給出工程圖尺寸，作為設(shè)備零部件的下料尺寸，保證了制造精度。在設(shè)備零部件安裝過程中，該模型可以進(jìn)行爆炸分解，可以起到安裝指導(dǎo)的作用。需要指出的是，該三維參數(shù)化模型未考慮零部件焊接尺寸的影響，為此在設(shè)計(jì)時(shí)留有尺寸裕量。在實(shí)際制造過程中需要制造單位依據(jù)相應(yīng)的焊接標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等對(duì)焊接坡口尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。噴淋式飽和器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

4.1 工藝參數(shù)的確定

根據(jù)工藝計(jì)算結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)條件，確定了工藝參數(shù)見表2所示：

表2 噴淋式飽和器的工藝參數(shù)

名稱

煤氣入口速度 m/s 煤氣出口壓強(qiáng) Pa 參考?jí)簭?qiáng) Pa 煤氣溫度 ℃

數(shù)值 15 2x101x105

焦?fàn)t煤氣各組份的含量見表3所示：

表3 焦?fàn)t煤氣的組成

名稱 體積百分含量 %

H2 60

CH4 30

其它（CO、CO2、O2等）4.2 內(nèi)部流場(chǎng)模型的建立

為了準(zhǔn)確進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬，首先要了解煤氣在設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)過程，煤氣在的煤氣進(jìn)過預(yù)熱后進(jìn)入噴淋式飽和器的吸收段的前室，分成兩股沿飽和器水平方向進(jìn)入吸收段的環(huán)形室做環(huán)形運(yùn)動(dòng)，然后匯合后進(jìn)入吸收段的后室，再以切線方向進(jìn)入內(nèi)置除酸器，然后通過設(shè)備中心出口管離開飽和器[2.3]。

由于飽和器內(nèi)部有復(fù)雜的相交曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的專業(yè)有限元軟件的建模功能難以勝任，為保證建模效果，本次模擬將利用三維設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果得到流場(chǎng)模型，導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，定義邊界條件，得到的流場(chǎng)模型結(jié)果如圖3所示：

圖3 噴淋式飽和器內(nèi)部流場(chǎng)有限元模型

需要指出的是，本模型只包含噴淋式飽和器的吸收段，主要模擬煤氣在吸收段的流動(dòng)情況，并做了以下幾個(gè)簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1.模型的下部邊界是以噴淋式飽和器的水封高度為依據(jù)確定； 2.除煤氣出入口以外，所有界面均為剛性光滑表面； 3.不考慮噴灑液體對(duì)煤氣流動(dòng)的影響； 4.省略了噴灑管、接管等附屬結(jié)構(gòu)； 5.焦?fàn)t煤氣組分僅為H2和CH4組分；

模擬采用穩(wěn)態(tài)模式（既不考慮時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響），煤氣入口采用速度初始條件，煤氣出口采用平均壓強(qiáng)初始條件，這樣的設(shè)置更容易得到收斂的結(jié)果[4.5]。

4.3 數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過有限元軟件計(jì)算得到了煤氣在設(shè)備內(nèi)的流體軌跡線、速度、壓強(qiáng)等結(jié)果。為了直觀的顯示飽和器內(nèi)部流暢的結(jié)果，選取了三個(gè)截面，分別是YZ截面，對(duì)應(yīng)于X方向；XZ截面，對(duì)應(yīng)于Y方向；XY平面在環(huán)形區(qū)域的平行截面，對(duì)應(yīng)于Z方向，分別賦予流體軌跡、線速度、壓強(qiáng)等結(jié)果，如圖4~圖6所示

1．流體軌跡線

X向軌跡線

Y向軌跡線

Z向軌跡線

圖4 流體在噴淋式飽和器內(nèi)部的軌跡線

由流體軌跡線的三向視圖可以得到焦?fàn)t煤氣在噴淋式飽和器吸收段的流動(dòng)情況，首先在環(huán)形室分成兩股流，在后室匯合后以切線方向進(jìn)入內(nèi)置除酸器，沿外筒壁面向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后進(jìn)入內(nèi)置除酸器內(nèi)筒以螺旋流動(dòng)的方式從頂部出口流出；

2．速度分布

X向截面速度分布

Y向截面速度分布

Z向截面速度分布

圖5 流體在噴淋式飽和器截面的速度分布

由速度分布圖X、Y向視圖可知，流體在環(huán)形室中的流動(dòng)速度較慢，這樣更利于煤氣與循環(huán)噴灑液的充分接觸，以利于氨的吸收，在煤氣進(jìn)入除酸器后流速明顯加快，最大流速出現(xiàn)在除酸器內(nèi)筒入口處，而在除酸器外筒底部中心部位流速很慢甚至出現(xiàn)速度為零的區(qū)域，在從Z向圖中可以看出煤氣在環(huán)形室的流動(dòng)并不呈現(xiàn)對(duì)稱分布的形態(tài)；

3．壓強(qiáng)分布

X向截面壓強(qiáng)分布

Y向截面壓強(qiáng)分布

Z向截面壓強(qiáng)分布

圖6 流體在噴淋式飽和器截面的壓強(qiáng)分布

由壓強(qiáng)分布圖可以看知，在煤氣入口、環(huán)形室、除酸器外筒體近壁面處壓強(qiáng)較大，環(huán)形室部分壓強(qiáng)分布較為均勻。除酸器內(nèi)部壓強(qiáng)沿徑向梯度分布，外筒邊緣壓強(qiáng)最大，最小壓強(qiáng)出現(xiàn)在除酸器內(nèi)筒進(jìn)口部位； 結(jié)論

噴淋式飽和器自上世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了近20年發(fā)展，其設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)豐富，但是利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)手段精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和焦?fàn)t煤氣在其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的研究模擬還存在著不足。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和計(jì)算流體力學(xué)等設(shè)計(jì)手段和研究方法不斷的進(jìn)步可以推動(dòng)對(duì)其研究的不斷深入。通過三維參數(shù)化設(shè)計(jì)手段的運(yùn)用可以更直觀的了解噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過改變關(guān)鍵參數(shù)來快速得到三維模型結(jié)果，了解各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)模型外形尺寸的影響規(guī)律；利用流體計(jì)算軟件可以得到煤氣在設(shè)備內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，掌握煤氣的流動(dòng)規(guī)律，為設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

由于篇幅所限，本文的噴淋式飽和器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬只是對(duì)于吸收段進(jìn)行的，得到了初步的計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行了討論。但對(duì)于并未考慮噴灑液體對(duì)氣體流動(dòng)的影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果還缺乏深入探討，今后，還將在其基礎(chǔ)之上不斷改進(jìn)，如采用兩相流計(jì)算模型，優(yōu)化除酸器結(jié)構(gòu)等，在模型應(yīng)用的普遍性、快捷性方面取得更好的結(jié)果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 何建平，李輝.煉焦化學(xué)產(chǎn)品回收技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社, 2006：68-69 [2] 丁玲.噴淋式飽和器法煤氣脫氨生產(chǎn)中問題分析[J].冶金動(dòng)力, 2009, 134(4): 37-42 [3] 楊永利，張管，陳濤.煤氣中氨脫除噴淋式飽和器的改進(jìn)[J].煤化工, 2009, 144(5): 49-52 [4] 張亞軍.CFD技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].貴州化工, 2006, 31(3): 47-50 [5] 封躍鵬，姜大志.旋風(fēng)分離器在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)[J].燃料與化工, 2009, 40(2): 9-11

作者簡(jiǎn)介：穆傳冰（1982—）男，遼寧省大連市人，工程師，碩士研究生，目前從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。